Neue unterirdische Speichertechnologien wie die unterirdische Wasserstoffspeicherung (UHS) oder die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) spielen eine wesentliche Rolle in der angestrebten Energiewende. Sowohl für UHS als auch für CCS wird die Nutzung ausgeförderter Öl- oder Gaslagerstätten diskutiert. Um die langfristige Sicherheit solcher Speichervorgänge zu gewährleisten, müssen jedoch Untersuchungen zur Integrität des Deckgesteins für das jeweilige Speichergas durchgeführt werden. Um petrophysikalische Parameter wie die effektive Porosität oder Permeabilität zu erhalten, werden Bohrkerne benötigt. Leider fehlen diese vor allem für die Deckschichten, die im Wiener Becken häufig aus Tonsteinen bestehen.
Die Nutzung von Bohrklein wird als Alternative zum fehlenden Kernmaterial in Erwägung gezogen. Dies setzt voraus, dass das Material noch die ursprünglichen, mikrostrukturellen Eigenschaften der erbohrten Formation aufweist. In dieser Studie wurden drei verschiedene Tonsteinkerne aus dem Wiener Becken untersucht. Alle Kerne stammen aus dem Pannonium (Oberes Miozän) und geringen Bohrtiefen im Bereich von 500-600 m Überlagerung. Das Kernmaterial wurde hinsichtlich Porosität und Mikrostruktur mit äquivalenten Bohrkleinproben verglichen. Darüber hinaus wurden künstliche Bohrkleinproben mittels Backenbrecher, LA-Test und LCPC-Test erzeugt. Mit diesen künstlichen Bohrkleinproben sollte die mechanische Belastung durch den Bohrmeißel simuliert werden. Insgesamt wurden drei Kernproben, neun aus diesen Kernen erzeugte künstliche Bohrkleinproben und acht tatsächliche Bohrkleinproben, die den erbohrten Abschnitten im Pannonium entsprechen, untersucht. Die Hauptziele der Arbeit bestanden darin, i) die mikrostrukturelle Schädigung durch das Bohren zu bestimmen und ii) verschiedene Porosimetrietechniken basierend auf Gravimetrie (Archimedes), Heliumpyknometrie, sowie hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie, hinsichtlich ihrer Eignung für die Porositätsbestimmung an Tonsteinkernen und Bohrklein zu vergleichen.
Die broad ion beam – scanning electron microscopy (BIB-SEM) liefert neben der auflösbaren Gesamtporosität auch die Verteilungen von Porengrößen und Geometriefaktoren (z. B. Auslängung und Zirkularität). Allerdings ist diese Technik auf Porenquerschnitte > 30 nm beschränkt. Daher wurde zur Bestimmung der gesamten effektiven Porosität einschließlich der Porenfraktion < 30 nm die Heliumpyknometrie eingesetzt. Das Gesamtvolumen der Proben wurde mittels Wägemethode nach Archimedes unter Verwendung von Isopropanol als Medium bestimmt, um potenzielle Alteration der Tonsteine durch Wasser zu vermeiden. Die verschiedenen Porositätsdatensätze wurden anschließend verglichen, um ihre Repräsentativität zu bewerten. Auf der Grundlage der erhaltenen Mikrostruktur- und Porositätsdaten wurden die Bohrkleinproben hinsichtlich mikrostruktureller Veränderungen untersucht und mit den Kernproben verglichen.
Die verschiedenen Porosimetriemethoden ergaben stark abweichende Porositätswerte. Für den Kern und das künstliche Bohrklein zeigen die auf Wägung und Pyknometrie basierenden Ansätze eine gute Korrelation (R2~ 0,8). Unter Berücksichtigung der realen Bohrkleinproben nimmt der Korrelationskoeffizient jedoch ab (R2~ 0,6), was vermutlich auf mikrostrukturelle Schädigung während des Sättigungsprozesses zurückzuführen ist. Die künstliche Zerkleinerung mit dem Backenbrecher führte ebenfalls zu einer Verringerung der Porosität sowie zu einer veränderten Porengrößenverteilung, die in den BIB-SEM Analysen sichtbar wird. Generell führte die Zerkleinerung zu einer breiteren Streuung in den Porengeometrie- und Porengrößenverteilungen im Vergleich zum ursprünglichen Kernmaterial, was die Auswirkungen der mechanischen Schädigung vor allem durch den Backenbrecher dokumentiert. BIB-SEM lieferte im Vergleich zu den petrophysikalischen Ansätzen deutlich niedrigere Gesamtporositätswerte, was aufgrund der Auflösungsgrenze von BIB-SEM zu erwarten ist. Die Korrelation zwischen den bildbasierten und den petrophysikalischen Porositätswerten erwies sich jedoch ebenfalls als schwach, und es wurde vor allem für die Bohrkleinproben eine große Variabilität zwischen den wiederholten Bildaufnahmen innerhalb einer Probe festgestellt. Dies belegt die Heterogenität des untersuchten Bohrkleinmaterials, was wahrscheinlich auf die Bildung von Agglomeraten unterschiedlicher Lithologien statt einer repräsentativen Gesamtprobe hindeutet. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die untersuchten Bohrkleinproben wahrscheinlich nicht für die Bestimmung repräsentativer Deckgesteinseigenschaften geeignet sind. Eine verbesserte Vorauswahl des Bohrkleinmaterials sowie die mögliche Verwendung größerer Bohrkleinproben könnten dazu beitragen, die in dieser Studie festgestellten Einschränkungen zu überwinden.